基于色散补偿光纤的耗散孤子和孤子双波长激光器

摘要

本发明公开了一种基于色散补偿光纤的耗散孤子和孤子双波长激光器，包括激光二极管、合束器、增益光纤、耦合输出元件、偏振无关隔离器、保偏光纤、碳纳米管，还包括色散补偿光纤、起偏器、第一偏振控制器和第二偏振控制器；合束器、增益光纤、耦合输出元件、偏振无关隔离器、色散补偿光纤、保偏光纤、碳纳米管、第一偏振控制器、起偏器及所述第二偏振控制器按光纤顺序连接构成全光纤环型腔，激光二极管与合束器连接作为激光器的泵浦光源。本发明能够实现2μm波段传统孤子和耗散孤子双波长激光输出，结构更简单，成本更低，能够简单、便捷的实现双波长输出模式转换。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双波长激光器，属于光纤激光器领域，更具体的说是涉及一种基于色散补偿光纤的耗散孤子和孤子双波长激光器。

背景技术

超短脉冲激光在光纤通信、生物技术、医疗、激光光谱学、超精细加工、时间分辨光谱学等领域具有广泛的应用。锁模技术是获得超短光脉冲的一种常用方法。因此,对输出飞秒脉冲的锁模光纤激光器的研究成为近几年激光技术领域研究的一个热点。一般来说，根据锁模方式的不同，可以将锁模光纤激光器分为两大类：一类是主动锁模光纤激光器，其腔内必须插入微波信号驱动的强度调制器或相位调制器，提供主动锁模所必须的振幅调制或相位调制。另一类是被动锁模光纤激光器，这类光纤激光器采用的是全光纤腔的结构，腔内除了增益介质，并不需要调制器和其他的有源器件。近年来被动锁模光纤激光器得到了迅猛发展，在皮秒和飞秒量级光源方面具有广泛的应用。

被动锁模是获取超短脉冲的一个非常重要的途径，它的基本原理是利用腔内非线性器件的光透过率对输入脉冲光强的依赖性，使得脉冲在腔内循环时被不断地窄化。相比于主动锁模，被动锁模光纤激光器的结构简单、紧凑，能够输出飞秒量级的超短脉冲，不需要额外的调制器件即可以实现锁模，而且锁模脉冲脉宽更窄，脉冲能量更高，是目前获取光孤子脉冲的理想平台。此外，被动锁模光纤激光器输出的孤子脉冲具有一些独特的特征，比如光谱边带、泵浦迟滞、脉冲能量量子化、多脉冲输出和被动谐波锁模等现象。目前，利用真实可饱和吸收体的锁模技术以及基于非线性光环形镜(NOLM)、非线性放大环形镜(NALM)和非线性偏振旋转效应(Nonlinear polarization rotation,NPR)的人工可饱和吸收体锁模技术是被动锁模光纤激光器中最常用的两种方式。

在光纤激光器中，激光脉冲在不同色散区域的形成机制不同。在腔内净色散为反常色散的光纤激光器中，光纤的非线性效应与反常色散效应间的相互作用将会产生传统的孤子脉冲。而当光纤激光器腔内净色散为正时，正常色散效应与非线性效应、腔内增益和损耗的综合作用可产生耗散孤子脉冲。耗散孤子在高能脉冲和高功率激光技术中具有较大的应用价值，耗散孤子的单脉冲能量可达传统孤子的数十倍甚至数百倍且保存脉冲不分裂，是高功率脉冲激光器的发展方向之一。特别的，能够同时产生传统孤子和耗散孤子的双波长光纤激光器具有较大的实用意义，即可以产生传统孤子脉冲还可以产生具有较高能量的耗散孤子脉冲。在激光机理研究中耗散孤子也具有很高学术价值。为了建立耗散孤子脉冲产生的环境，可使用稀土掺杂光纤或啁啾布拉格光栅控制管理激光腔内的净色散。然而这些管理方法都有缺点，较长的光纤谐振腔会限制重复频率的提高，啁啾布拉格光栅会导致激光腔内损耗的增加。目前搭建耗散孤子和孤子双波长锁模光纤激光器的方法主要是在腔内插入一段啁啾光纤光栅，啁啾布拉格光栅的作用是为腔内提供正常色散，平衡腔内的净色散值使得1550nm和1562nm处的净色散分别为反常色散和正常色散，从而使得两个波长处的脉冲分别呈现出传统孤子和耗散孤子的特征，实现1550nm传统孤子和1562nm耗散孤子双波长输出。本方案提出了一种基于色散补偿光纤实现2μm波段耗散孤子和传统孤子双波长输出的锁模激光器装置。耗散孤子和传统孤子的波长分别为1952nm和1980nm，耗散孤子的脉冲宽度为0.64ps，光谱宽度为8nm，传统孤子的脉冲宽度为0.89ps，光谱宽度为6nm。且在本方案中，双传统孤子、传统孤子/耗散孤子和双耗散孤子三种状态能够便捷转换。

图1所示是一种基于啁啾布拉格光栅的1.5μm耗散孤子和孤子双波长激光器的装置图。包括了一段18m长的掺铒光纤、两个偏振控制器、一个四端口环形器、两个半导体可饱和吸收镜和一个1nm@1550nm带宽的啁啾布拉格光栅。激光系统利用一个980nm的激光二极管作为泵浦源，并利用一个波分复用耦合器将泵浦源和激光谐振腔末端一起耦合进谐振腔的首端。激光通过波分复用器后，进入掺铒光纤进行放大，再进入耦合器，并将耦合器的20％端口作为激光输出端口。在耦合器后面接入一个偏振控制器控制激光偏振态，之后是一个四端口环形器。四端口环形器有两个作用，一是作为隔离器防止激光反向传输，二是作为连接器件连接半导体可饱和吸收镜、光纤谐振腔和啁啾布拉格光栅。啁啾布拉格光栅之后连接有另一个偏振控制器和可饱和吸收体器件。在装置图中的其它部分为标准单模光纤作为激光传输通道。掺铒光纤和单模光纤的色散分别为-16和17ps/nm/km。啁啾光纤光栅的色散为1.7ps/nm/km。半导体可饱和吸收体SESAM1和SESAM2的调制深度分别为30％和9％，恢复时间为2ps。激光在腔内有两条不同长度和色散的光路，通过调节偏振控制器可同时在激光器中产生1550nm传统孤子和1562nm耗散孤子。所产生的传统孤子光谱宽度为0.28nm，脉冲宽度为15.1ps，耗散孤子的光谱宽度为9.5nm，脉冲宽度为0.55ps。

从该装置图中可以看出其存在以下缺点：

1、该技术方案结构复杂，利用四端口环形器连接了一个啁啾布拉格光栅和两个半导体可饱和吸收体。传统孤子和耗散孤子形成过程也较为复查难以调谐；

2、该技术方案用到了两个半导体可饱和吸收体器件，且使用的四端口环形器和啁啾布拉格光栅较为昂贵，所以激光器成本较高；

3、该技术方案利用啁啾布拉格光栅作为色散控制器件，其损耗较高，限制了激光器功率的提升；

4、不能实现双传统孤子、传统孤子/耗散孤子和双耗散孤子三种输出模式间的转换。

发明内容

本发明为解决背景技术中存在的技术问题，提供一种全新结构的基于色散补偿光纤的耗散孤子和孤子双波长激光器，该双波长激光器能够产生2μm波段耗散孤子和孤子双波长输出，并具有耗散孤子/传统孤子、双耗散孤子和双传统孤子三种双波长输出模式，从而解决了以往激光器无法在2μm波段输出耗散孤子和孤子双波长及输出模式单一的技术问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

基于色散补偿光纤的耗散孤子和孤子双波长激光器，包括激光二极管、合束器、增益光纤、耦合输出元件、偏振无关隔离器、保偏光纤、碳纳米管，还包括色散补偿光纤、起偏器、第一偏振控制器和第二偏振控制器；所述合束器、增益光纤、耦合输出元件、偏振无关隔离器、色散补偿光纤、保偏光纤、碳纳米管、第一偏振控制器、起偏器及所述第二偏振控制器按光纤顺序连接构成全光纤环型腔，所述激光二极管与合束器连接作为激光器的泵浦光源，通过所述色散补偿光纤对腔内净色散的调节，实现2μm波段耗散孤子和传统孤子双波长激光输出。

优选的,所述保偏光纤采用熊猫型或者蝴蝶结型光纤，所述保偏光纤、第一偏振控制器、起偏器及所述第二偏振控制器共同构成滤波模块。

优选的,所述保偏光纤采用微纳光纤、Sagnac滤波器、lyot滤波器及级联光纤啁啾光栅。

优选的,所述碳纳米管作为可饱和吸收体与所述滤波模块配合使用产生双波长脉冲激光。

优选的,所述碳纳米管采用石墨烯、黑磷、拓扑绝缘体及其它可饱和吸收材料制成。

优选的,所述色散补偿光纤起到调节腔内净色散的作用，通过优化色散补偿光纤长度可使得全光纤环型腔内净色散值在2μm波段的特定波长处基本为0，为耗散孤子和传统孤子双波长激光的产生构建合适条件。

优选的,所述耦合输出元件为偏振分束器，其两端分别与所述增益光纤和偏振无关隔离器相连；所述耦合输出元件与合束器共同使用构成光纤激光器的环型谐振腔。

优选的,所述第一偏振控制器和第二偏振控制器可改变腔内双波长激光的中心波长，可在耗散孤子/传统孤子、双耗散孤子和双传统孤子三种双波长激光输出模式间转换。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明能够实现2μm波段传统孤子和耗散孤子双波长激光输出，不需要四端口环形器和啁啾布拉格光栅，结构更简单，成本更低，并提高了能量转换效率。

2、本发明中双波长脉冲的重复频率更加一致。

3、本发明中双波长是可调谐的，通过调节可以实现耗散孤子/传统孤子、双耗散孤子和双传统孤子三种双波长输出模式，从而简单、便捷的实现双波长输出模式转换。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1所示为本发明背景技术中，基于啁啾光纤光栅的1.5μm耗散孤子和孤子双波长激光器的装置图的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是耗散孤子和传统孤子双波长输出光谱图；

图中的标记分别表示为：1、激光二极管；2、合束器；3、增益光纤；4、耦合输出元件；5、输出光纤；6、偏振无关隔离器；7、色散补偿光纤；8、保偏光纤；9、碳纳米管；10、第一偏振控制器；11、起偏器；12、第二偏振控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

如图2、图3所示，基于色散补偿光纤的耗散孤子和孤子双波长激光器，包括激光二极管1、合束器2、增益光纤3、耦合输出元件4、偏振无关隔离器6、保偏光纤8、碳纳米管9，还包括色散补偿光纤7、起偏器11、第一偏振控制器10和第二偏振控制器12；所述合束器2、增益光纤3、耦合输出元件4、偏振无关隔离器6、色散补偿光纤7、保偏光纤8、碳纳米管9、第一偏振控制器10、起偏器11及所述第二偏振控制器12按光纤顺序连接构成全光纤环型腔，所述激光二极管1与合束器2连接作为激光器的泵浦光源，通过所述色散补偿光纤对腔内净色散的调节，实现2μm波段耗散孤子和传统孤子双波长激光输出。

所述保偏光纤8采用熊猫型或者蝴蝶结型光纤，所述保偏光纤8、第一偏振控制器10、起偏器11及所述第二偏振控制器12共同构成滤波模块。

所述保偏光纤8采用微纳光纤、Sagnac滤波器、lyot滤波器及级联光纤啁啾光栅。

所述碳纳米管9作为可饱和吸收体与所述滤波模块配合使用产生双波长脉冲激光。

所述碳纳米管9采用石墨烯、黑磷、拓扑绝缘体及其它可饱和吸收材料制成。

所述色散补偿光纤7起到调节腔内净色散的作用，通过优化色散补偿光纤7长度可使得全光纤环型腔内净色散值在2μm波段的特定波长处基本为0，为耗散孤子和传统孤子双波长激光的产生构建合适条件。

所述耦合输出元件4为偏振分束器，其两端分别与所述增益光纤3和偏振无关隔离器6相连；所述耦合输出元件4与合束器2共同使用构成光纤激光器的环型谐振腔。

所述第一偏振控制器10和第二偏振控制器12可改变腔内双波长激光的中心波长，可在耗散孤子/传统孤子、双耗散孤子和双传统孤子三种双波长激光输出模式间转换。

本实施例激光二极管1采用793nm激光二极管，793nm激光二极管产生的泵浦光通过合束器2进入长度为7m的增益光纤3，增益光纤3吸收793nm泵浦光后通过能级跃迁会产生2μm波段的激光，耦合输出元件4将产生的2μm激光分为两部分，一部分通过输出光纤5作为输出激光，另一部分通过偏振无关隔离器6继续在激光腔内传输，2μm激光依次通过长度为10m的色散补偿光纤7、长度为0.6m的保偏光纤8以及碳纳米管9，通过碳纳米管9作用形成锁模脉冲，最后通过第一偏振控制器10、起偏器11及第二偏振控制器12进行偏振控制，产生偏振态可控制的偏振激光。

合束器2的作用是将激光二极管1产生的泵浦光和在腔内传输一周后的激光耦合进增益光纤3中，合束器2可采用(2+1)×1合束器；增益光纤3的作用是产生2μm波段激光提供能级结构，该增益光纤3可以是掺铥光纤；偏振无关隔离器6的作用是防止激光反向传输；色散补偿光纤7作用是提供合适的正常色散以平衡全光纤环型腔腔内净色散，通过优化色散补偿光纤7长度可使得全光纤环型腔内净色散值在2μm波段的特定波长处基本为0，为耗散孤子和传统孤子双波长激光的产生构建合适条件；保偏光纤8作用是保持腔内激光的偏振态特性，保偏光纤8最好选择熊猫型或者蝴蝶结型光纤，但也可以选择微纳光纤、Sagnac滤波器、lyot滤波器、级联光纤啁啾光栅等作为滤波器件进行滤波；碳纳米管9作用是作为可饱和吸收体对激光脉冲进行调制和整形，产生锁模脉冲，纳米管9也可采用石墨烯、黑磷、拓扑绝缘体及其它可饱和吸收材料制成加以替代；第一偏振控制器10、起偏器11及第二偏振控制器12三个器件则共同作用产生偏振态可控制的偏振激光并与保偏光纤8共同构成滤波模块，产生双波长激光，通过调节所述偏振控制器改变滤波特性达到调谐双波长激光的目的，碳纳米管9作为可饱和吸收体与该滤波模块配合使用产生双波长脉冲激光。

耦合输出元件4为偏振分束器，其两端分别与所述增益光纤3和所述偏振无关隔离器6相连；所述耦合输出元件4与所述合束器2共同使用构成光纤激光器的环型谐振腔。

本实施例通过以上结构设计，能够实现2μm波段传统孤子和耗散孤子双波长激光输出，不需要传统的四端口环形器和啁啾布拉格光栅，结构更简单，成本更低，并提高了能量转换效率，并且双波长脉冲的重复频率更加一致。

本实施例通过以上结构设计，从而可以调节输出的双波长，通过调节第一偏振控制器10和第二偏振控制器12可以实现耗散孤子/传统孤子、双耗散孤子和双传统孤子三种双波长输出模式，从而简单、便捷的实现双波长输出模式转换。

如图3所示为耗散孤子和传统孤子双波长输出光谱图；泵浦光源1采用793nm激光二极管时，由于存在色散补偿光纤7，使得腔内净色散在1965nm处的净色散值为0，此时称1965nm为零色散波长。调节第一偏振控制器10和第二偏振控制器12，腔内的双波长脉冲改变，当双波长脉冲中的短波脉冲和长波脉冲分别处于零色散波长两端时，短波脉冲处于正常色散区，长波脉冲处于反常色散区，所以分别呈现出1952nm耗散孤子和1980nm传统孤子状态，从图中也可得出耗散孤子的脉冲宽度为0.64ps，光谱宽度为8nm；传统孤子的脉冲宽度为0.89ps，光谱宽度为6nm。

通过调节第一偏振控制器10和第二偏振控制器12时，还可使得腔内的双波长脉冲同时短于零色散波长或同时长于零色散波长。当双波长脉冲同时短于零色散波长时，两个波长都处于正常色散区，将产生双耗散孤子输出；当双波长脉冲同时长于零色散波长时，两个波长都处于反常色散区，将产生双传统孤子输出，从而通过调节偏振控制器可便捷的转换双波长激光输出模式。

如上所述即为本发明的实施例。所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。